《GPU渲染技术》课件

《渲染技术》GPU本课件将深入探讨渲染技术，从基础概念到先进技术，帮助您理解在GPU GPU现代图形学中的重要作用渲染技术简介GPU渲染技术利用图形处理单元（）来生成和显示图像，广渲染技术涉及多个关键步骤，包括几何处理、光照计算、材GPU GPU GPU泛应用于游戏、影视制作、虚拟现实等领域的并行计算能质渲染、纹理映射、阴影处理、后期特效等，共同呈现逼真的场GPU力使其能够高效处理大量数据，实现逼真的视觉效果景和图像渲染技术的不断发展也推动了图形学领域的进步，GPU为用户带来更身临其境的体验的发展历程GPU年，推出了，标志着的诞生，1999Nvidia GeForce256GPU1它专为图形加速而设计，推动了游戏和图形应用的快3D速发展年，（现）推出了，与2000ATI AMD Radeon8500Nvidia2展开竞争，为图形领域带来了更强大的性能和更低的价格年，推出了系列，引入了架2006Nvidia GeForce8CUDA3构，使能够进行通用计算，为科学计算、深度学习GPU等领域开辟了新的应用场景年，推出了系列，搭载了新2010AMDRadeonHD60004的架构，在游戏性能、能效等方面取得了显著提升年，推出了系列，引入了光2020Nvidia GeForceRTX305线追踪、等新技术，为游戏和图形应用带来了更逼DLSS真的视觉效果架构概述GPU核心1的核心包含大量的流处理器，负责执行渲染任务，并行处理大量数据GPU内存2内存（显存）用于存储渲染数据，例如纹理、几何信息等，它直接影响着渲染性能GPU控制器3控制器管理的各个组件，调度任务，并与进行通信，协调工作流程GPU CPU接口4接口连接与主板，负责数据传输和指令交互GPU和的区别CPU GPUCPU GPU是中央处理器，主要负责程序的执行和系统管理，擅长处理复是图形处理单元，主要负责渲染图像，擅长并行处理大量数据，CPU GPU杂逻辑运算和数据处理执行简单、重复的操作的优势GPU并行计算高性能12拥有大量核心，可以同时处理多个任务，提高渲染效率专门为图形渲染设计，具有更高的浮点运算能力，能够GPU GPU处理复杂的渲染任务低功耗通用性34现代在性能提升的同时，也优化了功耗，更加节能环保不仅用于图形渲染，还可以用于科学计算、深度学习等GPU GPU领域栅格化几何处理将三维模型转换为二维图像，进行三角形拆分、坐标变换等裁剪将三维模型剔除掉不在屏幕范围内的部分，减少渲染工作量投影将三维模型投影到二维平面，模拟人眼观察的透视效果扫描转换将三维模型的三角形填充到屏幕像素上，生成最终的图像纹理映射材质贴图法线贴图环境贴图用于模拟物体的表面材质，例如木头、金属、用于模拟物体表面的凹凸细节，增强视觉效用于模拟物体周围的环境，例如天空、地面、皮肤等果墙壁等深度测试深度缓冲1维护一个深度缓冲区，存储每个像素的深度信息GPU深度比较2当渲染新的像素时，与深度缓冲区中的深度值进行比较写入深度缓冲3如果新像素更近，则更新深度缓冲区，否则丢弃该像素混合Alpha透明度混合计算渲染顺序每个像素都有一个值，表示其透根据值，将透明物体与背景为了正确进行混合，需要按照从Alpha GPUAlpha Alpha明度，表示完全透明，表示完全不透物体进行混合，生成最终的图像后到前的顺序渲染物体01明光照模型12环境光漫射光模拟来自环境的漫射光，照亮物体模拟光线均匀散射到物体表面的效果34镜面光自发光模拟光线反射到物体表面的效果，形成高光模拟物体本身发光的效果，例如火焰、灯光等光线追踪光线追踪反射模拟光线从光源发射，经过物体表面，光线遇到物体表面时，会发生反射，最终进入人眼的路径产生镜面反射的效果折射阴影光线穿过透明物体时，会发生折射，光线被物体遮挡，形成阴影，增强场产生折射的效果景的真实感体渲染实时阴影渲染阴影贴图预先计算阴影，并存储在纹理中，用于实时渲染阴影体积利用体积数据，模拟阴影的形状和深度，实现更精确的阴影效果光线追踪通过光线追踪技术，实时计算阴影，生成更真实的阴影效果几何着色器几何着色器功能在顶点着色器之后，片元着色器之前运行，用于修改几何数据生成新的顶点、修改顶点坐标、增加新的图元等图元装配三角形线段点三角形是最基本的图元，用于构建复线段用于绘制线条，例如边界线、轮点用于绘制单个点，例如光源、粒子杂几何体廓线等等光栅化三角形扫描1扫描三角形内的像素，判断每个像素是否在三角形内部像素着色2根据三角形的属性，计算每个像素的颜色和深度信息深度测试3判断新像素是否比之前像素更近，决定是否绘制该像素片元着色器材质光照模拟物体的表面材质，例如金属、木头、塑料等计算物体表面受到的光照效果，例如漫射光、镜面光、环境光等帧缓冲操作颜色缓冲深度缓冲模板缓冲存储每个像素的颜色信息，最终生成图存储每个像素的深度信息，用于深度测存储模板信息，用于控制哪些像素会被像试绘制纹理采样纹理坐标每个像素都有一个纹理坐标，用于确定在纹理中读取哪个位置的数据插值根据纹理坐标，在纹理中进行插值，生成最终的纹理值GPU应用纹理值用于模拟物体表面材质、光照效果等，增强视觉效果数据压缩压缩算法解压缩使用压缩算法，减少纹理数据的大小，节省内存空间在渲染时，需要将压缩后的纹理数据解压缩，才能使用GPU多重采样抗锯齿采样方法12利用多个采样点，减少图像边包括多重采样抗锯齿（）、MSAA缘的锯齿状现象，提高图像质超采样抗锯齿（）等SSAA量性能影响3多重采样会增加渲染工作量，降低渲染性能延迟渲染几何阶段1渲染所有物体的几何信息，生成深度信息和位置信息光照阶段2根据深度信息和位置信息，计算光照效果合成阶段3将光照效果与几何信息合成，生成最终的图像预计算光照光照烘焙动态元素在预处理阶段，将光照效果烘焙到纹理中，减少渲染时的计算量对于动态的物体或光源，需要使用实时光照计算半实时光照预计算光照实时计算使用预计算的光照数据，提高渲对动态光源或物体进行实时计算，染效率增强场景的动态效果平衡在性能和效果之间寻找平衡，实现更逼真的场景效果动态光照实时计算根据动态光源的位置、强度和颜色，实时计算光照效果阴影生成动态光源的阴影，增强场景的真实感反射模拟物体表面对光线的反射，生成镜面反射效果全局光照12光线追踪辐射度模拟光线在场景中的传播路径，计算计算物体表面的能量分布，模拟光线光照效果的散射和反射3光子映射发射光子，模拟光线的传播路径，用于计算光照效果水反射水面法线1根据水面的法线方向，计算反射光线的角度环境采样2从水面反射的方向，采样环境光线，生成反射效果混合3将反射效果与原始图像进行混合，生成最终的图像玻璃材质反射折射透明度模拟光线在玻璃表面发生反射，形成镜面反模拟光线穿过玻璃时发生折射，产生弯曲的模拟玻璃的透明度，使光线可以穿透玻璃射效果光线透明材质透明度混合每个像素都有一个透明度值，表示其透明程度根据透明度值，将透明物体与背景物体进行混合，生成最终的GPU图像后期特效虚焦模糊景深模糊程度12模拟人眼对焦的效果，离焦部根据物体离焦的程度，调整模分呈现模糊效果糊的强度形状3根据相机镜头类型，调整模糊的形状，例如圆形、多边形等动态模糊运动向量根据物体的运动速度和方向，计算运动向量模糊计算根据运动向量，对图像进行模糊处理，模拟运动模糊的效果渲染HDR高动态范围色彩还原对比度能够表现更广阔的亮度范围，还原真实更准确地还原场景的色彩，展现更真实增强图像的对比度，提高视觉效果世界的场景效果的细节SSAO环境遮蔽阴影效果模拟物体周围的环境光线遮挡，增强场景的深度感使物体边缘的阴影更加自然，增强场景的真实感运动模糊运动向量模糊计算根据物体的运动速度和方向，计算运动向量根据运动向量，对图像进行模糊处理，模拟运动模糊的效果景深效果对焦区域1选择图像中需要清晰的区域模糊区域2对焦区域以外的区域，进行模糊处理模糊程度3根据物体离焦的程度，调整模糊的强度色彩管理颜色空间将图像的颜色数据映射到不同的颜色空间，例如、sRGB Adobe等RGB色调映射调整图像的亮度、对比度、饱和度等，以满足不同的显示设备需求色彩校正消除图像的颜色偏差，使图像的颜色更加准确性能瓶颈GPU12显存不足驱动程序问题当显存不足时，需要将数据频繁不兼容的驱动程序会导致性能下GPU GPU地写入和读取磁盘，导致性能下降降，甚至出现错误3瓶颈CPU当无法及时提供数据时，也CPUGPU会受到影响，导致性能下降性能优化GPU优化代码降低分辨率使用优化库，例如、等，提高代码效率降低渲染的分辨率，可以减少渲染工作量，提高性能GPU CUDAOpenCL简化模型关闭特效简化模型的复杂度，减少渲染时间关闭一些耗费性能的特效，例如抗锯齿、阴影等未来发展趋势GPU人工智能虚拟现实将在人工智能领域发挥更重要的将推动虚拟现实技术的进一步发GPUGPU作用，例如机器学习、深度学习等展，提供更逼真的体验云计算将被应用于云计算平台，提供更GPU高效的渲染服务结语渲染技术已经成为现代图形学不可或缺的一部分，它在游戏、影视、虚拟现GPU实等领域发挥着至关重要的作用随着技术的不断发展，渲染技术将为用户GPU带来更逼真的视觉体验和更丰富的应用场景。